Основные теоретические положения

Лекция 1. Введение. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалавров биотехнологии. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Масштабирование и оптимизация. Химические основы жизни и иерархия клеточной структуры

Введение. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалавров биотехнологии. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Масштабирование и оптимизация.

План лекции

  • 1. Преимущества биотехнологических методов
  • 2. Классификация отраслей промышленности, использующих биотехнологические методы
  • 3. Особенности биологических процессов
  • 4. Контроль и управление биотехнологическими процессами. Основные положения теории масштабирования и оптимизации
  • 5. Значение дисциплины «Биоинженерия» для бакалавров биотехнологии
  • 1. Перед биотехнологической промышленностью стоят большие задачи по развитию производства антибиотиков, витаминов, ферментов, белковых препаратов, культур клеток и тканей, что требует повышения эффективности производства, улучшения качества продукции, расширения номенклатуры, освоения новых производств, которых не было в Казахстане, и т.д. на основе использования достижений научно-технического прогресса в этой отрасли в Казахстане и за рубежом. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи - биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) - это автономная саморегулирующаяся система. Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков - возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10’4 до 10'8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды.

В настоящее время описаны тысячи индивидуальных биотехнологических реакций, осуществляемых микроорганизмами. Биосинтез характеризуется высокой интенсивностью (т удвоения биомассы 0,3-2 часа), своеобразием обмена у различных микроорганизмов, специфической направленностью действия ферментов, тем, что реакции протекают при обычных температурах и давлениях, при использовании недефицитного сырья. В результате технико-экономическая эффективность биотехнологических производств выше, чем при использовании методов химической технологии, а иногда биотехнологический способ - единственный метод получения ценных продуктов.

  • 2. Отрасли промышленности, использующие биотехнологические процессы, можно разделить на две группы:
    • -пищевые производства, бродильные производства, занятые переработкой сельскохозяйственного сырья. Применение здесь микроорганизмов ограничено какой-либо одной стадией технологического процесса. Специфическое технологическое оборудование для микроорганизмов в этих отраслях имеет небольшой удельный вес. Производства данной группы существуют отдельно в составе пищевой промышленности.
    • -производства, где основная стадия - это культивирование микроорганизмов.

По технологическому признаку их можно подразделить на две подгруппы:

  • -многотоннажные производства, связанные с получением больших количеств биомассы микроорганизмов. Характерная черта этих производств, которая определяет тип основного технологического оборудования - глубинное культивирование в условиях, не требующих высокой степени асептики, так как вероятность проникновения посторонней микрофлоры очень мала. Всё объясняется тем, что оптимальные условия для диких микроорганизмов - t = 25-35°С, pH = 6,5-7,5, а процесс культивирования в большинстве производств этой группы идет при pH = 3-5 или иногда при t = 40-50°С и в таких средах, где затруднен рост многих микроорганизмов. В некоторых случаях применяют микроорганизмы, являющиеся анаэробами, которые не требуют аэрации. Ввиду невысоких требований к защите производства от посторонней микрофлоры бродильные чаны и ферментеры имеют простую конструкцию и не надо решать сложных проблем по стерилизации воздуха, жидкостей, оборудования. Кроме того, обычно проста стадия выделения готового продукта.
  • -малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза, связанные с получением бактериальных препаратов, физиологически активных веществ, культур клеток и тканей. Здесь так же, в основном, применяют глубинное культивирование, но требования к защите от посторонней микрофлоры очень жестокие, поскольку культивирования продуцентов идет в условиях, близких к оптимальным для дикой микрофлоры, и последняя может полностью подавить рост полезного продуцента или резко снизить выход нужного метаболита. Выделение готового продукта так же более сложно. Общность технологий различных производств этой группы дает возможность переключать основное оборудование с выпуска одного продукта на другой. Последние подгруппы имеют общие черты: в обоих случаях необходимо учитывать биологические законы роста, обмена, отмирания микроорганизмов наряду с протеканием массо-, теплообменных, гидродинамических и механических процессов.

3. Обеспечение процесса ферментации, с точки зрения инженерной реализации, сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков (инокулята, воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов.

Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации, а также для выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный и непрерывный (или с подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров). Многочисленность методов культивирования, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положениях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою специфику. Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем: чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям; наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость - клетки», «газ - жидкость - клетки»); требования условий асептики; низкие скорости протекания многих процессов в целом; нестабильность целевых продуктов; пенообразование; сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.

Наиболее существенные особенности биологических процессов: биологическим системам присуще свойство саморегулирования, обычно направленное на ускорение роста; клеточные органы обладают общностью химического состава; все процессы протекают и регулируются с участием ферментов - белковых биокатализаторов; на всякое внешнее воздействие регуляторные механизмы клеток отвечают приспособительной реакцией, направленной в сторону, благоприятную для жизнедеятельности, или на снятие воздействия; в биологической системе постоянно меняется набор ферментов, их активность, характер биохимических процессов, что ведет к необходимости оптимизации на каждом этапе; мембрана обладает избирательной проницаемостью, и возможен перенос вещества против градиента концентрации, что затрудняет регулирование. Поэтому технологические процессы биотехнологии специфичны, что привело к необходимости создания специального оборудования, специальных приборов, специальных методов, наряду с которыми широко используются типовые методики и оборудование химической технологии.

4. Эффективное проведение биотехнологических процессов тесно связано с совершенствованием способов контроля и управления. В период предыстории биотехнологии делались отдельные попытки регулировать развитие продуцента с помощью изменений параметров внешней среды. До середины XX века регулирование в основном сводилось к эмпирике, так как без знания сущности происходящего невозможно эффективно контролировать и управлять процессом. В основном, объектом управления того периода была экстенсивная периодическая культура микроорганизмов со всеми ее недостатками: динамикой состояния продуцента и среды, отсутствием средств контроля. В последние 25 лет с внедрением управляемых культур биотехнологи переходят от простой задачи поддержания определенных параметров среды к управлению процессом в целом. Для реализации управляемого культивирования необходимо построение алгоритмов управления, основанных на моделях биотехнологического процесса. В современных биотехнологических процессах необходимо регистрировать и анализировать множество быстроизменяющихся факторов (концентрацию субстрата, биомассы и продукта в культуре, pH, температуру, парциальное давление кислорода и др.) Это вызывает необходимость в применении электронной техники. Первые разработки по применению ЭВМ в биотехнологии относятся к концу 60-х гг. XX века. На первых этапах ЭВМ привлекали в качестве советчика оператора, управляющего исполнительными механизмами для поддержания оптимального течения биотехнологического процесса. Прежде всего, для сбора и обработки информации по показаниям датчиков и для представления этой информации в легковоспринимаемой форме. Разрабатывали также системы автоматического регулирования отдельных параметров (дозировка среды или отдельных компонентов, стабилизация температуры и pH среды, скорости протока) по принципу контроля с обратной связью. Позднее ЭВМ стали использовать для управления технологическим процессом в целом в составе автоматизированных систем АСУ. Задача создания АСУ стала особенно актуальной при реализации крупнотоннажных биотехнологических процессов. В настоящее время АСУ осуществляется на основе системного подхода, и управление имеет многоуровневую иерархическую систему.

Внедрение АСУ позволяет осуществить рациональное управление процессом биосинтеза. В результате этого экономятся исходное сырье, электроэнергия, вода, повышается продуктивность процесса и производительность труда обслуживающего персонала. Затраты на создание и внедрение АСУ в биотехнологии окупаются сравнительно быстро, в течение 3-4 лет.

Обычная схема контроля и управления ферментацией включает ферментер, датчики, регулирующую систему, которая реализует расчетные зависимости на основе измерения параметров процесса. Исходные данные от датчиков поступают на ЭВМ, в которой они оперативно анализируются, и в результате выдаются данные для исполнительных устройств и механизмов. В настоящее время разработка и внедрение АСУ для биотехнологических процессов, прежде всего, определяется уровнем технической оснащенности данных процессов и зависит от уровня электронного оборудования, средств контроля и автоматизации. Возникают также проблемы вследствие большой информационной емкости биотехнологических процессов. Эффективность АСУ зависит от быстродействия и объема памяти ЭВМ. Поэтому прогресс в области биотехнологии зависит от прогресса в области электроники. Большое будущее имеет, в частности, микропроцессорная техника. Внедрение АСУ сдерживается отставанием в создании надежной и быстродействующей контрольно-измерительной аппаратуры, выдерживающей стерилизацию и удовлетворяющей современные требования к чувствительности и точности измерения, быстродействию, надежности, миниатюризации.

В настоящее время при проектировании новых производств возникают две задачи: масштабирование - расчет оборудования на основании данных, полученных в лабораторных условиях или на опытно-промышленных установках; оптимизация — выбор наивыгоднейшего варианта из возможных технологических схем, режимов и видов оборудования.

Основные положения теории масштабирования и оптимизации по отношению к биологическим системам:

  • -в биотехнологических производствах одновременно протекают химические и биологические процессы, в ходе которых происходят сложные биохимические реакции внутри клетки и при обмене клетки с окружающей средой. Поэтому при масштабировании следует учитывать различные закономерности химических и биологических реакций.
  • -масштабирование и оптимизация возможны лишь на основе математического моделирования, важнейшими этапами которого являются составление математической модели процесса, ее решение и анализ. Только на основе изучения кинетики могут быть выбраны оптимальный технологический режим и его аппаратурное оформление. Математическая модель позволяет систематизировать знания, сократить объем исследований, создать оптимальную схему автоматизации процесса. Объем теоретических сведений об объекте моделирования в настоящее время ограничен, поэтому уравнения математического описания - это система эмпирических зависимостей, получаемых в результате систематического обследования объекта. Задачи оптимизации делятся на два класса: оптимизация при проектировании (более эффективна) и оптимизация при управлении. Наиболее общий критерий оптимальности - минимальная сумма приведенных затрат, умноженных на нормативный отраслевой коэффициент эффективности капитальных вложений.

Так как аппараты работают во взаимодействии, то нужна разработка специальной методики расчета. Моделирование является одним из наиболее значимых направлений при разработке биотехнологических процессов, так как с помощью моделирования, экспериментального и математического, исследуются и разрабатываются новые процессы, совершенствуются аппараты и технологические схемы производств. При экспериментальном моделировании в лабораторных и промышленных условиях применяются, как правило, модели объектов и процессов, отличающиеся масштабами. Экспериментальное моделирование позволяет исследовать и оптимизировать процессы, сущность которых мало изучена. Данный подход часто служит единственным средством для исследования биотехнологического процесса. Первым этапом экспериментального моделирования служит лабораторный уровень, в ходе которого при сравнительно небольших затратах проводится изучение новых продуцентов и разработка новых процессов. Далее полученные результаты переносят в опытные, полупромышленные и промышленные масштабы. На опытных установках отрабатываются все технологические детали будущего процесса, обучается персонал, создается оборудование, уточняются техникоэкономические показатели. Затем проводятся крупномасштабные дорогостоящие промышленные эксперименты и испытания. Экспериментальное моделирование имеет ряд особенностей: трудоемкость, сложность реализации новой модели процесса. Наиболее трудны при этом вопросы масштабирования технологии и оборудования. Развитие биологических агентов связано не только с поведением жидкости и реагентов в ферментере, но и с их собственным метаболизмом.

Поэтому масштабирование в биологии требует специальных решений, при этом до настоящего времени нет единого подхода к решению данной задачи. Для оптимизации и управления биотехнологическими процессами, помимо экспериментального, необходимо также привлечение математического моделирования. Эти два подхода, дополняя друг друга, позволяют более эффективно решать поставленные задачи. Экспериментальное моделирование часто предшествует математическому, являясь для него источником информации. Математические модели - удобное средство обобщения экспериментальных данных. Наличие математических моделей позволяет более обоснованно подходить к планированию экспериментов и обрабатывать данные, существенно сокращать объем экспериментальных работ. Для моделирования и расчета биотехнологических процессов в силу их сложности применяют системный подход. Математическая модель сложной биосистемы должна включать описание различных по своей природе объектов и явлений. Поэтому, анализируя биологическую систему в целом, применяют метод декомпозиции, расчленяя исходную систему на ряд подсистем: строятся модели массообмена, кинетики роста биообъекта и биохимических процессов. К настоящему времени разработано много моделей массообмена, кинетики потребления субстрата и образования различных продуктов. Наиболее сложная задача - моделирование собственно биологических объектов, так как они значительно сложнее химических, физических и технических. Объекты биотехнологии способны к ca морегулированию, их сложность усугубляется неоднородностью. Процессы, протекающие в биореакторе, зависят не только от сложных внутриклеточных факторов, но и от условий внешней среды; в свою очередь, внешние процессы в биологии связаны с внутренними, поэтому их разделить нельзя. Кроме этого, на данном этапе уровня развития математической биологии отсутствует теория, адекватная сущности биологических процессов. Пока не создан математический аппарат, способный описать природу биологических превращений во всем многообразии, то есть необходимо развитие и совершенствование самого математического аппарата. Математическое описание биологических объектов дополнительно осложняется их недостаточной изученностью. Поэтому на данном этапе возможно достаточно упрощенное и приближенное математическое описание биологических объектов, это направление нуждается в существенном совершенствовании.

Оптимизация биотехнологических процессов осуществляется на основе сочетания экспериментального и математического моделирования и применения современных методов оптимизации (динамического и нелинейного программирования, вариационного исчисления). Однако в настоящее время для оценки оптимальности биотехнологических процессов трудно даже подобрать критерии. При оптимизации в биотехнологии необходимо учитывать ограничения, связанные с экономическими и конструктивными условиями, возможностями контрольноизмерительной аппаратуры и средств управления, экологическими требованиями и др. Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов - задача сложная и во многом еще не решенная. Однако именно разработка адекватных моделей различных биотехнологических процессов и на их основе создание совершенных методов оптимизации и управления - важнейшее направление биотехнологии, без которого невозможен прогресс.

5. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии является одной их центральных задач в экономической политике развитых стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.

Для реализации поставленных задач, необходимо создание современной биотехнологической промышленности в Казахстане. Поэтому, на основании мировых и отечественных тенденций, перспектив развития биотехнологической отрасли, мировых требований и стандартов к технологическому уровню биотехнологического производства бакалавр - биотехнолог обязан знать методы проектирования технологических процессов, что обеспечивает получение эффективных решений при строительстве или реконструкции предприятий отрасли, позволяющих организовать рентабельное промышленное производство.

Вне зависимости от области своей деятельности (наука, проектирование, производство) бакалавр-биотехнолог обязан хорошо знать закономерности и кинетику основных процессов, методы их расчета, главные принципы аппаратурного оформления. Он должен уметь решать проблемы масштабирования и оптимизации.

Вопросы для самоподготовки

  • 1.Классификация отраслей промышленности, использующих биотехнологические процессы.
  • 2.Особенности биотехнологических процессов в пищевой промышленности.
  • 3.Особенности многотоннажных производств, связанных с получением больших количеств биомассы МО.
  • 4.Особенности малотоннажных производств тонкого биохимического синтеза.
  • 5.Наиболее существенные особенности биологических процессов.
  • 6.Задачи, возникающие при проектировании новых биотехнологических производств.
  • 7.Основные положения теории масштабирования и оптимизации по отношению к биотехнологическим системам.
  • 8.Основные требования, предъявляемые к бакалавру-биотехнологу.

Тестовые задания для самопроверки

1. Для процесса биосинтеза микроорганизмов нехарактерны следующие положения:

а. высокая интенсивность

в. своеобразие реакций обмена у различных микроорганизмов

с. специфическая направленность действия ферментов

д. реакции протекают при повышенных температурах и давлении

е. использование не дефицитного сырья

2. В пищевых и бродильных производствах, занятых переработкой сельскохозяйственного сырья, применение микроорганизмов:

а. ограниченно одной стадией технологического процесса

в. основная стадия технологического процесса

с. не влияет на технико-экономические показатели

д. не важно для всего процесса в целом

с. нс обоснованно экономически и технологически

3. Многотоннажные производства, связанные с получением больших количеств биомассы микроорганизмов:

а. не требуют высокой степени асептики

в. требуют только асептических условий

с. осуществляются при pH 7

д. экономически не выгодны

е. связаны с сильным развитием посторонней микрофлоры

4. Дикие микроорганизмы не развиваются при реализации многотоннажных производств, связанных с получением больших количеств биомассы, потому что:

а. pH поддерживают 6-7

в. температуру поддерживают 25-35°С

с. условия культивирования основного продуцента не соответствуют оптимальным для дикой микрофлоры

д. процессы идут в строго асептических условиях

е. скорость роста у основного продуцента намного выше

5. Малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза - это:

а. бродильные производства

в. получение кормового белка

с. очистка сточных вод

д. получение физиологически активных веществ

е. бактериальное выщелачивание руд

6. Малотоннажные производства тонкого биохимического синтеза требуют:

а. применение поверхностного культивирования

в. жесткую защиту от посторонней микрофлоры

с. высокую температуру и давление

д. поддержание pH 3-4

е. применение нестерильного воздуха

7. К наиболее существенным особенностям биологических процессов не относятся:

а. биологическим системам присуще свойство саморегулирования

в. все процессы протекают и регулируются с участием ферментов

с. возможен перенос вещества через мембрану против градиента концентрации

д. создание специального оборудования

е. применение типового оборудования

8. Масштабирование при проектировании - это:

а. выбор самого выгодного варианта

в. расчет оборудования на основании данных, полученных в лабораторных условиях

с. выбор оптимального режима

д. создание специального оборудования

е. применение типового оборудования

9. Масштабирование и оптимизация возможны:

а. на основе математического моделирования

в. на стадии внедрения проекта

с. при проектировании и управлении

д. на основе системы эмпирических зависимостей

е. на основе изучения кинетики процесса

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >